Инженерное моделирование с чего начать

Роль компьютерного инженерного моделирования в инновационной деятельности

С внедрением компьютерного инженерного моделирования появилась возможность проводить виртуальные испытания. Этот подход позволяет выполнять работы на порядок быстрее и дешевле, чем инновации путем создания одного физического прототипа за другим. В нашем быстро изменяющемся и конкурентном мире новые идеи и процессы проверки прототипов в виртуальной среде в соединении с традиционными физическими экспериментами дают значительные преимущества.

Термин «инновация» в наше время употребляется все чаще и чаще. В апреле 2014 года сотрудниками издания «Harvard Business Review» (выпуск 92, № 4) при помощи инструмента «Google’s Ngram Viewer» была предпринята попытка проследить частоту употребления известных деловых терминов в книгах, опубликованных за прошлое столетие. Они исходили из следующей предпосылки: язык является отражением человеческой культуры, и соответственно, используемые фразы отражают меняющиеся приоритеты. В данном исследовании было показано, что частота употребления слова «инновации» увеличилась более чем в 5 раз за рассмотренный период – гораздо больше чем частота употребление слов «менеджмент» или «управление».

В том же издании «инновационная деятельность как ответ на потребности клиентов» была отмечена как один из ключевых способов, используя который, производители в развитых странах успешно конкурируют с производителями в странах с формирующейся экономикой, с более низкими издержками.

В 2012 году патентное бюро США получило более 575 000 патентных заявок, то есть в 6 раз больше, чем в 1962 году, и на 60% больше, чем в 2002 году. Таким образом, можно видеть, что инновационная деятельность не просто увеличивается – она стремительно набирает обороты.

Содействие инновационной деятельности

Есть много факторов, способствующих инновации. Таковыми являются, например, творческий подход и гибкость. Также важна способность пробовать новые идеи и выделять из них те, которые подлежат дальнейшему развитию.

С внедрением компьютерного инженерного моделирования появилась возможность проводить виртуальные испытания. Этот подход позволяет выполнять работы на порядок быстрее и дешевле, чем инновации путем создания одного физического прототипа за другим. В нашем быстро изменяющемся и конкурентном мире новые идеи и процессы проверки прототипов в виртуальной среде в соединении с традиционными физическими экспериментами дают значительные преимущества. Например, инженеру может прийти в голову некая новая концепция во время завтрака. Он имеет возможность конкретизировать ее по пути на работу, выполнить работу по моделированию к обеду, доказать целесообразность своей идеи и предоставить руководителю солидное, обоснованное предложение к пяти часам вечера. При наличии достаточно мощного компьютерного оборудования около ста различных вариантов первоначальной концепции могут быть готовы к рассмотрению утром следующего дня. Инженер, привыкший использовать традиционный подход с проведением физических испытаний, за это время только успел бы в лучшем случае сформировать заявку на эксперимент.

Экономия времени и средств – не единственное преимущество моделирования. Иногда инновационные события происходят по воле случая. Например, незначительные изменения в ходе тестирования продукта или изменение материала могут дать большие преимущества в использовании. Причины улучшения не всегда могут быть понятны; в ходе испытаний всегда можно ответить на вопрос: «Что случилось?», но не всегда – на вопрос: «Почему?». Для этого инженерам нужно проводить больше испытаний или выполнять моделирование.

Поскольку моделирование может помочь инженерам визуализировать влияние параметров на результат, оно позволяет понять то, что нелегко достичь путем проведения физических испытаний. Моделирование отвечает на вопрос: «Почему?», что является крайне важным при подаче документов на патент или необходимости решить, следовать ли дальше выбранной концепции.

Начните моделировать рано. Моделируйте часто.

Темп происходящих вокруг нас перемен – очень быстрый. Он увеличивается с внедрением новаторских технологий, таких, как аддитивное производство. Традиционное производство в скором времени может исчезнуть. Открывается новый мир возможностей проектирования повседневных предметов.

Это увеличение темпа приводит к возрастанию риска. Компания может иметь десятки инновационных идей. Как решить, какие из них следует развивать? Решение этого вопроса может быть затруднительным, и моделирование здесь определенно может помочь. Один из очевидных способов – моделирование инновационных продуктов на ранних стадиях проектирования для обеспечения достижения высокой производительности и преимуществ, необходимых для успеха.

Кроме того, компьютерное инженерное моделирование может помочь в определении методов производства, допусков и требованиям к материалам для успешной реализации идеи, тем самым помогая установить точное значение издержек производства и сроки разработки. Без использования моделирования на раннем этапе будет сложно рационально сделать эти выводы без значительных затрат времени и ресурсов.

Источник

10 популярных программ для 3D-моделирования

С чего начать

Autodesk TinkerCAD

Назначение: обучение моделированию, создание простых моделей.

Стоимость: бесплатно.

Пожалуй, самая простая программа для 3D моделирования, самая настоящая песочница. TinkerCAD взаимодействует с Minecraft и Scratch, имеет специальные программы для обучения разным дисциплинам, так что если думаете, чем полезным можно увлечь своего ребёнка 一 выбор перед вами. Вишенкой на торте служит возможность экспортировать созданную модель для 3D-печати, так что на базовом уровне она будет полезна и взрослым.

DesignSpark Mechanical

Назначение: моделирование инженерных конструкций.

Стоимость: бесплатно.

Mechanical ориентирован в первую очередь на начинающих специалистов и просто любителей в части 3D моделирования. Возможности по сравнению с AutoCAD куда скромнее, зато бесплатно, и эффективно 一 без труда можно создать почти любую объёмную деталь для дальнейшего использования в более сложных композициях или отправки на 3D-печать. О сложных текстурах и динамическом представлении здесь речи не идёт, но техническим специалистам они особо и не нужны.

SketchUp

Назначение: быстрая визуализация архитектурных идей.

Стоимость: бесплатно для личного пользования и профессионально от 119 долларов в месяц.

SketchUp очень распространен среди простых пользователей в качестве программы 3D моделирования дизайна, быстрой визуализации моделей квартир, комнат и внутренних коммуникаций. Однако возможности программы куда шире, благо несколько лет продукт разрабатывался командой Google. На профессиональном уровне SketchUp позволяет решать сложные архитектурные задачи, будь то конструирование целых зданий и даже районов, не затрачивая на это много времени и сил.

FreeCAD

Назначение: моделирование деталей и конструкций.

Стоимость: бесплатно.

FreeCAD 一 классический представитель свободного ПО, с помощью которого любой пользователь может сделать первые шаги в мире 3D-моделирования, не углубляясь в тонкости визуализации. Будет очень полезна и тем, кто не понаслышке знаком с Python 一 продукт позволяет создавать и интегрировать собственные модули, написанные на этом языке. Так что если вы мечетесь в будущей специализацией между программированием и дизайном, FreeCAD станет идеальный помощником.

Продвинутый уровень

Autodesk AutoCAD

Назначение: моделирование инженерных конструкций.

Стоимость: от 10250 рублей в месяц.

Программа, изначально заточенная под создание двухмерных инженерных чертежей, сегодня имеет очень мощные возможности для 3D-моделирования. Во всяком случае, это касается всего за пределами конечной визуализации и наложения текстур. Будь то техническая деталь с множеством маленьких элементов или модель огромного здания 一 AutoCAD справится одинаково хорошо. Поэтому работникам технических специальностей освоить эту программу надо едва ли не в обязательном порядке. Также он будет полезен для работы с 3D-печатью или резкой.

Cinema 4D

Назначение: графическая визуализация сцен.

Стоимость: от 5350 рублей в месяц.

Несмотря на простой интерфейс Cinema4D имеет достаточно широкие возможности по скульптурированию, рендерингу, созданию текстур и эффектов в анимации. Плюс здесь есть целый ряд инструментов, призванных упростить и ускорить процесс создания сцен. При этом не стоит думать, что с программой справится любой пользователь 一 опыт хотя бы базового 3D моделирования крайне необходим, да и сцены сами себя не построят.

ZBrush

Назначение: скульптурирование моделей.

Стоимость: от 40 долларов в месяц.

Все, кто в реальном мире любит возиться с глиной и гипсом, от работы с ZBrush получат колоссальное удовольствие. Здесь точно также основная область творчества лежит в области скульптурирования. После получения желаемых очертаний лица или тела, программа поможет вам добавить нужные текстуры, блики и тени для достижения финального результата. Работать с ZBrush настолько комфортно, что можно его воспринимать не только, как профессиональный инструмент, но и полноценное развлечение. Посетив любое из многочисленных сообществ программы вы сами в этом убедитесь.

Blender

Назначение: скульптурирование моделей и анимация.

Стоимость: бесплатно.

Blender является уникальным симбиозом качества и доступности. Здесь есть инструменты для создания качественных 3D-моделей, наложения на них текстур, в том числе волос и тканей, дальнейшей анимации и постобработки видео. И всё это запаковано в менее 200 мегабайт пространства. При этом, как и любой крупный проект с открытым кодом, Blender имеет мощное комьюнити и постоянно обрастает всё новыми возможностями.

Для профессионалов

Autodesk 3ds Max

Назначение: создание качественных графических 3D-моделей.

Требуемый уровень подготовки: профессионал.

Стоимость: от 9790 рублей в месяц.

Пожалуй, одна из наиболее мощных программ для 3D моделирования, используемая повсеместно: в играх, киноиндустрии, архитектуре, интерьерном и ландшафтном дизайне, презентациях любых продуктов. Здесь на высочайшем уровне реализованы возможности обработки текстур, рендеринга, трассировки лучей, взаимодействия объектов, что позволяет реализовать задумки любой сложности. Строго рекомендуется для всех специалистов, кто отвечает за визуальное представление объектов, как в статике, так и динамике.

Autodesk Maya

Назначение: графическая визуализация сцен.

Требуемый уровень подготовки: профессионал.

Стоимость: от 9800 рублей в месяц.

Maya идеально подойдёт для всех, кому предстоит создавать отрисовать сюжеты с максимальной реалистичностью, то есть представителям кино, мультипликации и игр. Возможности для создания эффектов здесь ограничены только вашей фантазией. К примеру, используя только встроенные модули, вы сможете реализовать взаимодействие ветра, дождя, тканей, взрывов, волос и много другого. Одновременно и в одной сцене. Разумеется, для этого придётся потратить много времени на обучение Maya и грамотное планирование сцен, но это того стоит.

Заключение

Безусловно, это не полный список программ для 3D-моделирования, однако он содержит самые востребованные инструменты для дизайнеров и конструкторов. Поэтому неважно, хотите ли вы найти что-то для визуализации интерьера будущей квартиры или построить с нуля успешную карьеру 一 здесь вы найдёте эффективное решение.

Подготовить эффектный рекламный ролик, сконструировать проект интерьера, создать анимацию для приложения или просто яркую презентацию — всё это позволяет делать 3D-графика. Чтобы создать качественную объемную визуализацию, понадобятся специальные программы. Ниже мы перечислили наиболее популярные программы для 3D-моделирования. Они подойдут как новичкам — например, для быстрой визуализации своего дизайна интерьера, так и продвинутым специалистам, которые хотят отрисовать видео с максимальной реалистичностью. Выбирать программу для изучения советуем по своему уровню:

Источник

Проектирование с использованием моделирования: как это работает?

Чтобы реализовать весь потенциал проектирования на основе моделирования, о котором мы рассказывали в предыдущем посте, нужно быть готовым к серьезным переменам. Современные рабочие станции, оснащенные новейшими аппаратными средствами, могут быстрее просчитывать сложные модели. Однако реальное преимущество заключается не только в простом ускорении, но и в качественно новом уровне моделирования. Его можно с выгодой применять в процессах проектирования, получив важное преимущество, ведь продукция становится все сложнее, а конкуренция растет. С помощью моделирования компании могут идентифицировать и решать более сложные, многоэтапные задачи, а также анализировать больше идей.

Моделирование станет отличным инструментом исследования для любых проектов: оно позволит изучать и перебирать множество разных вариантов и в результате создавать более инновационные продукты. Благодаря мощности современных рабочих станций и вычислительных кластеров инженеры смогут также применять высокоточное моделирование всех аспектов и деталей дизайна в жизненном цикле продукта.

Ранее такой подход поддерживался только средами HPC. Теперь же инженеры способны быстро выполнить очередную итерацию проекта и определить, как изменения влияют на достижение ключевых целей. Посмотрим, как это происходит на практике. Значительную часть необходимой для подготовки этого материала информации предоставили наши партнеры из компании COMSOL – производителя программных решений для численного моделирования.

Пример 1: Cypress Semiconductor

В компании Cypress Semiconductor, ведущем производителе сенсорных и встраиваемых систем, инженеры традиционно использовали ПО COMSOL Multiphysics для различных исследовательских и проектных инициатив/ Моделированием при этом занимался исключительно отдел R&D, а другие группы сотрудников, участвующие в разработке продукта, в том числе отдел поддержки клиентов, не пользовались преимуществами виртуального прототипирования.

Тем не менее, именно этот отдел служит ключевым каналом коммуникаций с клиентами Cypress Semiconductor – компании, чьи сенсорные экраны широко применяются в смартфонах, бытовой и автомобильной технике. После внедрения современных рабочих станций и новой версии ПО в организации стали использовать Среду разработки приложений (Application Builder) от COMSOL, которая позволила оптимизировать процесс проектирования сенсорных экранов.

Cypress Semiconductor стала использовать приложение, сделанное с помощью COMSOL Application Builder для оптимизации процессов создания сенсорных экранов.

Используя Среду разработки приложений и COMSOL Server (продукт для их запуска через интернет), инженеры разных подразделений разрабатывают конечный дизайн устройств в приложениях, специально созданных отделом R&D. Это позволяет службе поддержки тоже принимать участие в моделировании, но с теми настройками, которые показывают лишь необходимые параметры модели.

Одно из таких приложений было разработано для проектирования сенсорных емкостных датчиков. Пользователи могут изменять в нем параметры – от места расположения пальца до толщины различных слоев в датчике, но у них нет доступа ко всей модели. Приложение рассчитывает матрицы ёмкости, являющиеся важной характеристикой конструкции сенсора, а также отображает распределение напряжения. В пользовательском интерфейсе есть выпадающий список, в котором можно легко выбрать решение, соответствующее различным настройкам датчиков.

Что получается в итоге? Cypress Semiconductor не только формирует общую модель сенсорного экрана для потребительских товаров, но и создает приложения для широкого спектра продуктов, чтобы пользователи сами могли настраивать нужные параметры. Благодаря новому ПО для моделирования сотрудники отдела поддержки могут легко обновлять параметры модели, не вдаваясь в сложности моделирования и не ожидая помощи от инженеров отдела R&D. Теперь проекты фактически можно реализовывать на индивидуальной основе, а это позволяет разработчикам более гибко реагировать на потребности клиентов.

Компания создает множество различных приложений для разных типов сенсорных экранов. Таким образом, ее отдел поддержки легко и быстро решает сложные вопросы и предоставляет отличный сервис.

Пример 2: Arkansas Power Electronics International

Производитель электроники, компания Arkansas Power Electronics International (APEI), использует ПО Среду разработки приложений от COMSOL, чтобы расширить доступ пользователей к возможностям моделирования и ускорить процесс проектирования. Раньше инженерная группа была «узким местом» в моделировании, поскольку в первую очередь отвечала за создание и запуск моделей – причем даже тех, которые запрашивали другие коллеги.

Сегодня инженеры компании разрабатывают приложения, позволяющие коллегам самостоятельно, без длительного обучения, проводить исследования с помощью моделирования. Одно из приложений, созданных с помощью Application Builder, помогает в расчетах тока плавкого предохранителя и допустимой токовой нагрузки для соединений полупроводниковых устройств.

В приложении APEI любой пользователь может выбрать соответствующие значения для диаметра проводника, геометрии дуги и количества проводников, чтобы определить максимальный ток до начала перегрева.

Ранее специалист по моделированию должен был создать модель, чтобы проанализировать повышение температуры в различных условиях. Теперь приложение использует параметрический метод: пользователь видит, как количество проводников влияет на пиковую температуру при заданном токе. Если прежде эксперты вынуждены были искать значения в таблицах, то теперь эти таблицы встроены в ПО COMSOL Multiphysics.

Нужно отметить, что результаты стали более точными, поскольку информация, представленная в приложении, генерируется для каждого конкретного случая. Теперь компания планирует расширить число приложений для моделирования, созданных в Среде разработки приложений – в том числе для расчета тепловых характеристик сборки, конструкции индуктора и трансформатора, а также для анализа макета.

Пример 3: Manufacturing Technology Centre

Производственный технологический центр (Manufacturing Technology Centre, MTC) специализируется на инновациях и продвижении передовых методов проектирования изделий. Его задача состоит в том, чтобы преодолеть разрыв между концепциями и коммерческой версией продукта.

Один из последних проектов MTC оценивает потенциал технологии производства присадок под названием Shaped Metal Deposition (SMD). Эта технология обещает преимущества по сравнению с производством присадок на основе порошков и с использованием нескольких материалов в одной и той же детали.

GUI ПО COMSOL для построения расчетных моделей.

Во время разработки стало ясно, что тепловое расширение, возникающее в результате этого метода, иногда приводит к незапланированным результатам. С помощью Application Builder сотрудники MTC создали приложение для моделирования, которое применяет термомеханический анализ. Оно позволяет прогнозировать остаточные термические напряжения и деформацию в результате термических циклов SMD.

Приложение Shaped Metal Deposition (SMD) создано с помощью Среды разработки приложений в COMSOL Multiphysics. Оно позволяет вычислять остаточные напряжения, создаваемые во время производственного процесса, и прогнозировать отклонения в параметрах детали.

Это приложение помогает определять, позволят ли процессы осаждения создавать детали, соответствующие установленным допускам. Пользователи без опыта моделирования могут легко экспериментировать с геометрией, источниками тепла, траекториями осаждения и материалами, не разбираясь в сложностях построения модели.

Как внедрить моделирование в компании, которая занимается проектированием?

Программное обеспечение для «массового моделирования» не только появилось на рынке, но и стало вполне доступным. Это означает, что теперь высокопроизводительные рабочие процессы проектирования может реализовывать самый широкий круг организаций. Осталось направить работу в нужное русло – внедрить технологический процесс проектирования, основанный на моделировании.

Моделирование – мощный инструмент. Оно может быть преобразующим, если лишено узких мест и доступно всем пользователями, участвующим в проектировании. С помощью обновленного программного обеспечения и более мощных рабочих станций компании «демократизируют» моделирование и вносят в свои проектные рабочие процессы дух коллективной деятельности. Но на этом пути потребуются важные шаги:

Шаг 1. Просветите руководство и пользователей. Объясните преимущества нового рабочего процесса, основанного на моделировании, покажите, каких результатов можно достичь при коллективной работе. В качестве примера приведите кейс, демонстрирующий, как новый рабочий процесс будет способствовать инновациям и гибкости проектирования.

Шаг 2. Представьте результаты. Демонстрируя простоту использования ПО для моделирования и противопоставляя его традиционным рабочим процессам, вы можете заручиться поддержкой пользователей. Это поможет внести необходимые изменения в текущий стиль совместной работы.

Шаг 3. Рассчитайте окупаемость инвестиций. Для принятия решения руководству нужны конкретные цифры. Чтобы убедить его, необходимо оценить эффект от использования современного оборудования и внедрения специализированных приложений для моделирования.

Помимо стоимости аппаратного и программного обеспечения, в расчет стоит добавить предполагаемую экономию времени сотрудников отдела R&D. Согласно нашим исследованиям, моделирование способно ускорить работу пользователей в шесть раз, соответственно, вам нужно умножить среднюю зарплату каждого участника рабочего процесса на 6: так вы легко просчитаете будущую экономию.

Между тем, увеличение скорости моделирования не учитывает экономии за счет внедрения распределенных управляемых рабочих процессов. Можно подсчитать экономию времени, устраняя повторяющиеся задачи анализа в нескольких подразделениях. А поскольку большее число сотрудников будет параллельно выполнять больше задач моделирования, ускорится возврат инвестиций и сократится время выхода на рынок. Компания получит конкурентное преимущество в бизнесе.

Шаг 4. Заручитесь поддержкой руководства. Пусть оно возглавит усилия по управлению изменениями. С помощью руководства можно оценить, готова ли компания к оптимизации рабочих процессов на основе моделирования, и пора ли внедрять моделирование «в массы».

Это приложение создано с COMSOL Application Builder. Оно позволяет определить характеристики излучения круговой рупорной антенны, чтобы улучшить их за счет изменения геометрии.

И в заключение – конфигурации компьютера и сравнение производительности вычислений на примере моделей акустических систем различной сложности для салона автомобиля:

Сегодня создано более 800 примеров моделей и приложений COMSOL Multiphysics, которые применяются в самых различных областях, включая электрические, механические, гидродинамические и химические дисциплины. А современные рабочие станции подойдут для самых сложных сред многопоточных/многозадачных приложений, требующих высокопроизводительных вычислений – в том числе приложений для проектирования, создания цифрового содержимого 3D и научных расчетов.

Источник